JP2003097330A

JP2003097330A - 内燃機関の燃料噴射制御装置及び方法

Info

Publication number: JP2003097330A
Application number: JP2001297316A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Shibata; 大介柴田; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Hisafumi Magata; 尚史曲田; Hisashi Oki; 久大木; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Akihiko Negami; 秋彦根上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼室内における燃料の主噴射の後
に副次的噴射を行う際、アクセルペダル踏量より内燃機
関に要求される仕事量に必要な燃料量の一部を、内燃機
関の仕事に転化しない燃料として使用する副次的噴射に
よって噴射することにより、実際に内燃機関において行
われる仕事量がアクセルペダル踏量より要求される仕事
量と比較して不足する問題があった。【解決手段】アクセルペダル踏量より内燃機関に要求さ
れる仕事量に必要な要求燃料量より、副次的噴射にて内
燃機関の仕事に転化する仕事転化副噴燃料量を減じた値
を主噴射燃料量とし、この主噴射燃料量と副次的噴射燃
料量とをそれぞれ燃焼室内に噴射することにより、アク
セルペダル踏量によって要求される仕事量と実際に内燃
機関において行われる仕事量とを同等にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の燃料噴射
制御装置及び方法の技術に関連して、燃料添加制御を行
う技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等に搭載される内燃機関で
は、内燃機関より排出される排気を大気中に放出する前
に、排気中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素
（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有毒ガス成分を浄
化または除去することにより排気ミッションを向上させ
ることが要求されている。

【０００３】特に、軽油を燃料とする圧縮着火式のディ
ーゼル機関では、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（Ｈ
Ｃ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等に加え、排気中に含まれ
る煤や，ＳＯＦ（Solbule Organic Fraction）等の粒子
状物質（ＰＭ：Particulate Matter）と呼ばれる微粒子
を浄化若しくは除去することが重要である。

【０００４】このため、ディーゼル機関では、ＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯｘ等を浄化若しくは除去する除去装置と共に、
微粒子状物質を浄化若しくは除去する装置であるパティ
キュレートフィルタを排気通路に配置している。

【０００５】このうち、ＣＯ、ＨＣ、及びＮＯｘについ
ては、例えば酸素の存在下でＮＯｘを吸収する能力を有
するＮＯｘ吸収剤と、ＨＣ、ＣＯを酸化させる能力を有
する貴金属触媒とを併せて担持したものにより、酸化、
還元反応を行うことで浄化若しくは除去することが可能
である。

【０００６】前記のＮＯｘ吸収剤は、排気中の酸素濃度
が高い状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低
い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気
中にＮＯｘが放出された時、排気中にＨＣやＣＯ等が存
在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反
応を促進することで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを
還元成分とする酸化還元反応が両者間で発生する。すな
わち、ＨＣやＣＯはＨＯやＣＯ₂に酸化され、ＮＯｘは
Ｎ₂に還元される。

【０００７】ところで、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）は
排気中の酸素濃度が高い状態にある時でも所定の限界量
のＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくな
る。そこで、このようなＮＯｘ触媒を排気通路に備えた
内燃機関では、同ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が限界量に
達する前に、排気通路のＮＯｘ触媒上流に燃料等の還元
剤を供給することで、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを
放出及び還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回
復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返し
行っている。

【０００８】ＮＯｘ触媒は、このようなＮＯｘの浄化を
行う過程で、副次的に活性酸素を生成する特性を有す
る。この活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性
（活性）を有するため、パティキュレートフィルタに捕
捉された微粒子状物質のうち、ＮＯｘ触媒の表面や近傍
に堆積した微粒子は、この活性酸素と速やかに反応し、
浄化されることとなる。

【０００９】ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、及び微粒子状物質を
連続して浄化するに際して、ＮＯｘのＮＯｘ触媒による
吸蔵還元作用が重要な問題となる。特に還元作用におい
てはＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し、か
つＨＣ、ＣＯ等の還元成分が存在する必要がある。

【００１０】よって、還元剤である燃料を排気浄化装置
に添加する方法として、内燃機関の動力に転化される主
噴射燃料を行った後に、燃料の一部を主燃料による燃焼
過程中後半または燃焼過程後に再度行う燃料噴射である
副次的噴射を行う方法がある。

【００１１】副次的噴射を行うことにより、内燃機関の
燃焼室内にて燃焼することなく排気される未燃焼燃料が
発生し、この燃料を還元剤として排気浄化装置において
触媒付近での還元作用、及び昇温作用が行われる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】元々副次的噴射燃料
は、主噴射燃料と併せてアクセルペダル踏量より要求さ
れた仕事量に対して供給される燃料の一部を、仕事へと
転化する燃料としてではなく、触媒にて既存のＮＯｘを
還元するための還元剤として利用することを主目的とし
て噴射している。

【００１３】また、副次的噴射は、主噴射を行った後、
主噴射の燃焼工程終了時前後を跨って噴射されるが、燃
焼工程終了後に噴射される副次的噴射燃料については燃
焼して体積膨張を行わないため、必然的に内燃機関の仕
事には転化されず、また燃焼工程終了時前に噴射された
副次的噴射燃料についても、燃焼工程が終わりかけた時
点での燃料噴射のため、完全燃焼せず、余剰燃料を発生
する。

【００１４】よって、ここに未燃焼燃料が発生し、この
未燃焼燃料を還元剤として、触媒の性能を改善するわけ
であるが、これに背反として、これら動力に転化されな
かった燃料量により、アクセルペダル踏量より要求され
る仕事量と、実際に行われる仕事量との間に差が生じて
くる。

【００１５】平地を等速度で走行する場合や、下り坂を
走行する場合、またはアイドリング時など、内燃機関に
負荷が掛からない状態においては、副次的噴射を行うこ
とによりアクセルペダル踏量が要求する仕事量と内燃機
関が実際に行う仕事量に多少の差を有しても、実働上の
差は現れてはこないが、上り坂や、加速時等アクセルペ
ダル踏量より要求する仕事量が増えた際には、内燃機関
に負荷が掛かり、実働上の差が現れる。

【００１６】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、副次的噴射を行った際に内燃機関の仕事
量が減少して、副次的噴射前後で仕事量の差が出来ない
ようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【００１７】前記課題を解決するために本発明において
は、内燃機関の燃焼室内における燃料の主噴射の後に副
次的噴射を行うことにより未燃焼燃料を排気通路に供給
するとともに、この未燃焼燃料によって窒素酸化物を還
元する触媒を、排気通路内に配置した排気浄化装置を有
する内燃機関において、副次的噴射が、主噴射燃料によ
る燃焼工程中及び燃焼工程後に跨って噴射された場合
に、燃焼工程中に噴射された副次的噴射燃料を、内燃機
関の仕事に転化した燃料量として算出する仕事転化燃料
量算出手段と、この仕事転化燃料量算出手段によって算
出された仕事転化副噴射燃料量及び主噴射燃料量の和
を、内燃機関に供給されて仕事に転化する燃料量として
算出する供給燃料量算出手段と、アクセルペダル踏量よ
り要求される仕事量に要する燃料量である要求燃料量
が、主噴射燃料量と仕事転化副噴射燃料量の和である供
給燃料量に等しくなるように前記主噴射燃料量を制御す
る主噴射燃料量制御手段とを備えることとした。

【００１８】要は、副次的噴射によって行われる仕事当
量を算出して、その仕事当量と主噴射による仕事当量と
の和が、アクセルペダル踏量より要求される仕事量に等
しくなるように、主噴射量を制御するようにすることで
ある。

【００１９】この制御を行う際に、副次的噴射を行う場
合の初期においては主噴射量の制御が間に合わず、アク
セルペダル踏量より要求される仕事量との間に差が発生
する場合があるが、実行上では数ミリ秒程度の問題であ
るのでここでは同等に制御されているとしても問題はな
い。

【００２０】特に副次的噴射が、燃焼工程終了前に行わ
れなかった場合、つまりは副次的噴射燃料がすべて還元
剤として添加されて、内燃機関の仕事には転化されなか
った場合にはアクセルペダル踏量より要求される仕事量
に対する燃料量が主噴射燃料量となるように制御され
る。

【００２１】つまりは、アクセルペダル踏量より要求さ
れる燃料量は主噴射燃料と副次的噴射燃料の内燃機関の
仕事に転化した燃料量との和と等しければ良い、と言う
ことである。

【００２２】よって、副次的噴射を行った際に、副次的
噴射を行わない場合と同等の仕事を行うことが可能とな
り、仕事量が減少することは無くなる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の燃
料噴射制御装置及び方法を、ディーゼルエンジンシステ
ムに適用した実施の形態について説明する。

【００２４】図１において、内燃機関（以下、エンジン
という）１は、燃料供給系１０，燃焼室２０，吸気系３
０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気
筒のディーゼルエンジンシステムである。

【００２５】燃料供給系１０はサプライポンプ１１，蓄
圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、機関燃料
通路Ｐ１等を備えて構成される。

【００２６】サプライポンプは燃料タンク（図外）から
くみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介して
コモンレール１２に供給する。、コモンレール１２はサ
プライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力
に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各
燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部
に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜
開弁して燃焼室２０内に燃料を供給噴射する。

【００２７】吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給され
る吸気空気の通路（吸気通路）形成する。一方、排気系
４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路
（排気通路）を形成する。

【００２８】また、このエンジン１には、周知の過給器
（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチ
ャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された二つ
のタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービ
ンホイール（吸気側タービンホイール）５３は吸気系３
０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール８排気側
タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され
る。このような機械を有するターボチャージャ５０は、
排気側タービンホイール５３が受ける排気流（配気圧）
を利用して吸気側タービンホイール５２を回転させ、吸
気圧を高める効果（過給効果）を有する。

【００２９】吸気系３０において、ターボチャージャ５
０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇
温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よ
りも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開
度を無段階に調節することが出来る電子制御式の開閉弁
であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞
り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有す
る。

【００３０】また、エンジン１には、燃焼室２０の上流
（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする
排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。こ
のＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻
す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によっ
て無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に
調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０
を通過（環流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ
６２が設けられている。

【００３１】また、排気系４０において、燃焼室より接
続する排気集合管４０ａ、排気側タービンホイール５２
が設けられた部位より下流側には、排気の流路に沿って
排気通路４０ｂ、ＮＯｘ触媒ケーシング４２、４０ｃが
順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、
排気中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還
元型ＮＯｘ触媒及び、排気中に含まれる煤等の微粒子を
ＮＯｘ等の有害成分と併せて浄化するパティキュレート
フィルタが収容されている。

【００３２】また、エンジン１の各部位には、各種セン
サが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジ
ン１の運転状態に関する信号を出力する。

【００３３】すなわち、レール圧センサ７０は、コモン
レール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出
信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０
内のスロットル弁３２下流において吸入空気の流量（吸
気量）Ｇａに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／
Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２下
流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する
検出信号を出力する。排気温度センサ７４は、同じく排
気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気の温度
（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯ
ｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４
２下流において排気中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変
化する検出信号を出力する。

【００３４】また、アクセル開度センサ７６はエンジン
１のアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダル
の踏量ＡＣＣに応じてエンジン１において要求する仕事
量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７
７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定
角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これ
ら各センサ７０〜７７は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０
と電気的に接続されている。

【００３５】図２に示すように、ＥＣＵ８０は中央演算
処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯ
Ｍ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及び
運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップ
ＲＡＭ８４、タイマカウンタ８５等と、Ａ／Ｄ変換器を
含む外部入力回路８６と、外部出力回路８７とが、双方
向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路
を備える。

【００３６】ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号
を外部入力回路を解して入力し、これら信号に基づいて
ＥＣＵ８０に有するＣＰＵ８１において、ＲＯＭ８２に
記憶されているプログラムから、エンジン１の燃料噴射
等についての基本制御を行う他、還元剤（還元剤として
機能する燃料）添加に係る燃料噴射の供給量の決定や添
加時期等に関する還元剤（燃料）添加制御等、エンジン
１の運転状態に関係する各種制御を行う。

【００３７】尚、燃料噴射弁１３を通じて各期等に燃料
を供給する燃料供給系１０、排気系４０に備えられたＮ
Ｏｘ触媒やパティキュレートフィルタ、及びこれら燃料
供給係１０やＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタ
の機能を制限するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態
に係るエンジン１の排気浄化装置を構成する。前記燃料
添加制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥ
ＣＵ８０を含め、この排気浄化装置を構成する各種部材
の作動を通じて実施される。

【００３８】次に、以上説明したエンジン１の構成要素
のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２に
ついて、その構成及び機能を詳しく説明する。

【００３９】図３は、図１に示した触媒ケーシング４２
を、その内部構造の一部と共に拡大して示す断面図であ
る。触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯ
ｘ触媒４２ｂを担持したパティキュレートフィルタ４２
ａを収容する。

【００４０】ＮＯｘ触媒４２ｂは、例えばアルミナ（Ａ
Ｌ₂Ｏ₃）を主材料とした担体とし、この担体の表面にＮ
Ｏｘ吸収剤として機能する、例えばカリウム（Ｋ）、ナ
トリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃ
ｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシ
ウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類金属、あるいはイ
ットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属
触媒）として機能する、例えば白金（Ｐｔ）のような貴
金属とが担持されることによって構成される。

【００４１】パティキュレートフィルタ４２ａは、例え
ばコージライトのような多孔質材料から形成されてお
り、従って排気ガス流入通路に流入した排気ガスは、端
部が閉鎖されているために矢印で示されるように周囲の
多孔質材料からなる隔壁を通りって隣接する排気ガス流
入通路に流出する。

【００４２】尚、本実施の形態では、パティキュレート
フィルタ４２ａの隔壁の表面上、及び隔壁の細孔の内壁
面に、前記のアルミナ等からなる担体の層が形成されて
おり、この担体上に貴金属触媒とＮＯｘ吸収剤からなる
ＮＯｘ触媒４２ｂが担持されている。

【００４３】ＮＯｘ吸収剤は、排気中の酸素濃度が高い
状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態
ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮ
Ｏｘが放出された時、排気中にＨＣやＣＯ等が存在して
いれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促
すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分と
する酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣや
ＣＯはＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ₂に還元さ
れる。

【００４４】また、ＮＯｘ触媒を構成している貴金属触
媒はＨＣの酸化を促して、ＨＣの酸化反応熱により床温
を昇温する。

【００４５】また、ＮＯｘ吸収剤は排気中の酸素濃度が
高い状態である時にでも所定の限界量のＮＯｘを吸収す
ると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。エンジン１で
は、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒４２
ｂのＮＯｘ吸収量が限界量に達する前に、排気通路の触
媒ケーシング４２上流に還元剤（本実施の形態では副次
的噴射による未燃焼燃料）を添加供給することで、ＮＯ
ｘ触媒４２ｂを活性化して吸収されたＮＯｘを放出及び
還元浄化し、ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ吸収能力を回復
させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。

【００４６】前記のパティキュレートフィルタ４２ａに
おいては、その表面に担持するＮＯｘ触媒４２ｂが、Ｎ
Ｏｘを吸収、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述し
た通りであるが、その一方、ＮＯｘ触媒４２ｂはこのよ
うなＮＯｘの浄化を行う過程で、昇温して副次的に活性
酸素を生成する特性を有する。パティキュレートフィル
タ４２ａを排気が通過する際にその排気中に含まれる煤
等の微粒子成分は多孔質材料により、捕捉される。ここ
で、ＮＯｘ触媒４２ｂの生成する活性酸素は、酸化剤と
して極めて高い反応性（活性）を有するため、補作され
た微粒子成分は、燃料添加によって昇温した状態でこの
活性酸素と輝炎を発することなく速やかに反応し、浄化
されることとなる。

【００４７】次に、本実施の形態に係る燃料供給制御の
基本原理や制御手順等について詳述する。

【００４８】一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室
内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度
が、殆どの運転領域で高濃度状態にある。

【００４９】燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼
に供された酸素を差し引いてそのまま排気中の酸素濃度
に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空
燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比）も基本
的には同様に高くなる。一方、上述したように、ＮＯｘ
触媒４２ｂは排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸収
し、低ければＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還元して放
出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度にある
限りＮＯｘを吸収することとなる。ただし、当該ＮＯｘ
触媒４２ｂのＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、同ＮＯｘ
触媒４２ｂが限界量のＮＯｘを吸収した状態では、排気
中のＮＯｘは同ＮＯｘ触媒４２ｂに吸収されず触媒ケー
シング４２を素通りすることとなる。

【００５０】ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収作用を復帰させる
ため、還元剤をＮＯｘ吸収材に添加する必要があるが、
エンジンの構成上、通常の燃料噴射を行った場合に、酸
素濃度が低い、すなわち還元剤である燃料を多量に含ん
だ排気ガスは排出され難い。

【００５１】よって、通常の燃料噴射（主噴射）の後、
燃焼工程の後半、若しくは燃焼工程後に再び燃料を噴射
（副次的噴射）して排気中に未燃焼燃料成分を添加する
方法により排気中の還元剤成分を増量させ、この還元成
分により、ＮＯｘ吸収作用を復帰させる。

【００５２】エンジン１のＥＣＵ８０は、ＮＯｘセンサ
７５の出力信号に基づいてＮＯｘ触媒４２ｂ下流におけ
る排気中のＮＯｘ濃度を連続的に観測する。ＮＯｘ触媒
４２ｂによるＮＯｘの吸収能力（吸収効率）は、当該Ｎ
Ｏｘ触媒４２ｂに吸蔵されているＮＯｘ量が多くなるほ
ど、言い換えれば、ＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵されている
ＮＯｘ量が当該ＮＯｘ触媒４２ｂの吸蔵し得るＮＯｘの
最大量（飽和量）に近づくほど低くなる。すなわち、Ｎ
Ｏｘ触媒４２ｂ内におけるＮＯｘの吸蔵量が増大すれ
ば、当該触媒ケーシング４２を素通りして下流に放出さ
れるＮＯｘ濃度も上昇するようになる。こうした両者の
推移様態には、十分な相関性があるため、ＮＯｘ濃度の
推移様態に基づいてＮＯｘ触媒４２ｂ内におけるＮＯｘ
の吸蔵量を把握することが出来る。

【００５３】そこで、ＥＣＵ８０は、触媒ケーシング４
２下流におけるＮＯｘ濃度が所定濃度を上回ったところ
で、ＮＯｘ触媒４２ｂ内のＮＯｘ吸蔵量が所定量を上回
ったものと判断して、燃焼室２０における燃料噴射を、
主噴射と副次的噴射とに分け、排気中に未燃焼燃料を含
ませることにより、排気系４０の触媒ケーシング４２上
流に所定量の燃料を添加して、触媒ケーシング４２内に
流入する排気中の還元成分量を一時的に増量し、空燃比
を低下させる。

【００５４】前記の副次的噴射を行うことにより、ＮＯ
ｘ触媒４２ｂは還元されるが、副次的噴射を行った際に
は、還元剤として触媒に添加された燃料の分だけ、エン
ジン１の出力が減少することとなる。

【００５５】元々、副次的噴射燃料はアクセルペダル踏
量（ＡＣＣ）からアクセル開度センサ７６に伝えられた
信号により、ＥＣＵ８０にて必要と判断された燃料量の
何割かをエンジン１の仕事量に関係しない触媒への還元
剤として使用するものである。

【００５６】よって出力の減少分の燃料を主噴射に加え
て噴射することによりエンジン１の出力不足を解決す
る。

【００５７】出力不足を解決するに先立って、副次的噴
射燃料のうち、エンジン１に寄与する燃料量及び仕事量
を考える。

【００５８】図４は主噴射（Ｑｍａｉｎ）、及び副次的
噴射（Ｑｐｏｓｔ）を行った際に、ＡＣＣより要求され
る仕事量のグラフＸと実際にエンジン１にて為される仕
事量のグラフＹとをクランク角を横軸に、仕事量を縦軸
にとって表したものである。θ１〜θ２間を主噴射時期
とし、θ３〜θ４を副次的噴射時期とする。また、燃焼
期間はＴＤＣ〜θ５の間とする。

【００５９】グラフＸとグラフＹとに挟まれた領域を領
域ａ、グラフＹと横軸及び、波線に挟まれた領域をｂ、
グラフＹとグラフＸに挟まれた領域をｃ、グラフＸ，グ
ラフＹ，波線に挟まれた領域をｃ’として、各領域の面
積がそれぞれエンジン１の仕事量となる。

【００６０】また、副次的噴射はθ５を境として、内燃
機関の動力に転化されるもの（Ｑｐｏｓｔ１）、触媒の
還元剤として添加されるもの（Ｑｐｏｓｔ２）に分けら
れる。

【００６１】前記の領域分けより領域ａ＋ｂ＋ｃ’を占
める仕事がＡＣＣより要求される仕事量となり、ｂ＋ｃ
＋ｃ’を占める仕事が副次的噴射を行った際に実際にエ
ンジン１において行われる仕事量である。領域ｂは主噴
射を行った際の仕事量でｃ’＋ｃは副次的噴射を行った
際の仕事量とする。また、領域ａと領域ｃの面積差がＡ
ＣＣより要求される仕事量と実際に行われる仕事量の差
となる。よってこの差を無くす、すなわち領域ａ＋ｂ＋
ｃ’＝領域ｂ＋ｃ＋ｃ’となるように補整を行う。

【００６２】以下、本実施の形態における、各制御手段
について述べる。

【００６３】エンジン１における仕事に寄与する燃料量
の関係式は、要求燃料量（Ｑｇｏｖ）＝Ｑｍａｉｎ＋Ｑｐｏｓｔの式で表されるが、Ｑｐｏｓｔについてはエンジン１の
燃料として寄与しない量があり、これは燃焼室２０内部
の燃焼が終了した以降に噴射され、還元剤として触媒に
添加される燃料に相当する。よってＱｐｏｓｔは以下の
式により成り立つ。Ｑｐｏｓｔ＝Ｑｐｏｓｔ１＋Ｑｐｏｓｔ２

【００６４】Ｑｐｏｓｔ２に関しては事実上、すべて還
元剤として排気通路４０を通り触媒ケーシング４２に添
加される燃料であるのでエンジン１の動力に転化する燃
料量から考えるとＱｐｏｓｔ２＝０となる。

【００６５】また、Ｑｐｏｓｔ１の燃料が燃焼する工程
はＱｍａｉｎが燃焼する工程の後半にて噴射され同時に
燃焼を行うため、Ｑｍａｉｎに比較して燃焼効率が悪
く、そのため実質の燃焼する燃料量はαＱｐｏｓｔ１と
なる。ここで燃焼効率αは０＜α＜１の値を取り、燃焼
温度、燃焼時間、燃焼燃料量等の要因から実験的に数値
を求め、αの値を定めて定数とする。

【００６６】よって、内燃機関の実動力に転化するため
に供給された燃料量は供給燃料量（Ｑ）＝Ｑｍａｉｎ＋αＱｐｏｓｔ１となる。

【００６７】副次的噴射を行った際にエンジン１にて行
われる仕事に差を無くすためにはＱ＝Ｑｇｏｖとなることが必要であるため、Ｑを構成する要因の一つ
であるＱｍａｉｎの値を補整して、エンジン１にて要求
される仕事量を満たす燃料量を供給する。

【００６８】以上の式からなるプログラムである制御手
段をＲＯＭ８２に記憶し、ＣＰＵ８１上で行うことによ
り、副次的噴射時の主噴射量の制御を行う。以下は、前
記のプログラムに数値及び具体的制御を代入して説明す
るものである。

【００６９】先ず、アクセルペダル踏量（ＡＣＣ）より
アクセル回路センサ７６へ伝えられた信号及び、レール
圧センサ７０よりの検出信号によってＥＣＵ８０によ
り、燃料供給量を１０ｍｍ³／ｓとなるようにサプライ
ポンプ１１、コモンレール１２を制御する。同時にＮＯ
ｘセンサ７５からの出力信号よりＥＣＵ８０において、
触媒ケーシング４２を還元する必要がある、と判断され
て、クランク角センサ７７よりの出力信号から主噴射と
副次的噴射を行うようコモンレール１２及び噴射弁１３
に有する電磁弁に印可する駆動電力を制御する。また、
クランク角センサ７７，レール圧センサ７０等の検出信
号より、エンジン１は負荷状態で稼働している状況であ
ると認識している。

【００７０】主噴射燃料添加時期はクランク角で上死点
より前後約１５°の間に跨って行い、副次的噴射燃料添
加時期は上死点より後約３５°から約５０°に跨って行
う。これに伴って、主噴射燃料の燃焼時期は上死点直前
から上死点後４０°まで続いたものとする。燃料添加量
は各噴射において均等に噴射されているものとし、主噴
射と副次的噴射には噴射圧力及び単位時間当たりの噴射
量の違いはないものとする。また、副次的噴射時の燃焼
効率α＝０．８とする。

【００７１】前記条件設定の噴射を行うクランク角の差
より、補整を行う前の主噴射燃料量は７ｍｍ³／ｓとな
り、副次的噴射燃料量は３ｍｍ³／ｓとなる。同様に主
噴射燃料の燃焼時期と副次的噴射の噴射時期の差からＱ
ｐｏｓｔ１＝１ｍｍ³／ｓ、Ｑｐｏｓｔ２＝２ｍｍ³／ｓ
となる。

【００７２】補整をした値を求めると、Ｑ＝Ｑｇｏｖ＝
Ｑｍａｉｎ＋αＱｐｏｓｔ１の式に代入してＱ＝１０＝Ｑｍａｉｎ＋０．８×１より、補正後のＱｍａｉｎ＝１０−０．８×１＝９．２
ｍｍ³／ｓとなり、この値を主噴射燃料量とすることで
エンジン１において、副次的噴射を行わない燃料噴射時
と副次的噴射を行った際の仕事量の差を無くすことが可
能となる。。

【００７３】これを図４に当てはめると領域ｂ＝９．
２、領域ｃ＋ｃ’＝０．８の値を取り、ゆえに領域ａ＋
ｂ＋ｃ’＝領域ｂ＋ｃ＋ｃ’＝１０となり、副次的燃料
噴射を行った際に、エンジン１が行う仕事量は減少せ
ず、仕事量の差も無くなる。

【００７４】以下、本実施の形態に係るエンジン１のＥ
ＣＵ８０が実施する「燃料添加制御」に関し、具体的な
処理手順についてフローチャートを参照して説明する。

【００７５】図７には副次的噴射を行うに当たり、その
添加量や添加時期を制御するために実施される「副次的
燃料添加制御ルーチン」の処理内容を示す。このルーチ
ン処理はＥＣＵ８０を通じてエンジン１の始動と同時に
その実行が開始される。

【００７６】処理がこのルーチンに移行すると、ＥＣＵ
８０はステップＳ１０１において、燃料添加の実施に係
る、燃料噴射弁１３の電磁弁の制御にとって必要な運転
状況を把握する。例えばＥＣＵ８０はクランク角センサ
７７の出力信号に基づいてエンジン１の機関回転数ＮＥ
を、またＮＯｘセンサ７５の出力信号に基づいて排気中
のＮＯｘ濃度を各々演算する。またアクセルの踏量ＡＣ
Ｃや燃料噴射系の圧力、排気温度ＴＥＸ等を把握する。

【００７７】次にＳ１０２で、ＮＯｘセンサで検出した
排気中のＮＯｘ濃度から、この濃度が所定値以上なら、
次のステップに進み、所定値以下なら燃料添加する必要
はないので、本ルーチンを抜けて触媒への燃料添加であ
る副次的噴射を行わずに終了する。

【００７８】次にＳ１０３で、副次的噴射可となった場
合に、内燃機関の負荷状況を判断する。燃料の噴射量、
クランクの回転数、排気温度等から、エンジンの負荷状
況を判断し、下り坂やアイドリング状態等の負荷が掛か
ってない場合は、主噴射の補整を行わずに副次的噴射を
行い本ルーチンを終了する。負荷が掛かっている場合は
次のステップへ進む。

【００７９】次にＳ１０４で、副次的噴射を行う時期に
より、補整量を決定する。主噴射燃料の燃焼工程中に副
次的噴射を行った場合はＳ１０５へ、燃焼工程後に副次
的噴射を行った場合はＳ１０６のステップへ進む。

【００８０】Ｓ１０５のステップでは副次的噴射の一部
がエンジン１の動力に転化されているため、その値を考
慮した主噴射燃料の補整を行い、終了する。

【００８１】Ｓ１０６のステップでは副次的噴射はすべ
て還元剤として触媒ケーシング４２において反応し、動
力には転化されないため、エンジンの仕事量に必要な燃
料量が主噴射燃料量になるよう補整を行い、終了する。
以上のステップを終了して、本ルーチンは終了する。

【００８２】以上の実施の形態を行うことにより、副次
的噴射時に内燃機関の必要とする燃料量を供給すること
が可能となる。

【００８３】尚、本実施の形態ではＮＯｘセンサ７５の
検出信号において燃料添加の判断要因としたが、これに
替え、他の運転状況に関するパラメータに基づいてＮＯ
ｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を推定すると共に、こ
の推定量を元にして副次的噴射により燃料添加を行って
も良い。また、副次的噴射燃料の動力に転化される量の
測定法としては、クランク角を基にして動力への転化量
を決定したが、測定法としてはこれに限るものではな
く、例えば噴射された燃料のもつ化学的エネルギーと、
その燃料によって行われる運動エネルギー、排出する熱
エネルギー、及び内部損失等の燃料効率から求めるな
ど、実験的に求める方法等も想定される。これは副次的
噴射燃料の燃焼効率αについても同様に言えることで、
要は所定の数値さえ決定可能であるならば、その決定し
た手段については問わないと言うことである。

【００８４】また、当該実施の形態ではディーゼルエン
ジンの排気浄化装置において適用したが、希薄燃焼を行
うガソリンエンジンにも好適に本発明を実施することが
可能である。また、内燃機関の気筒数、気筒の配列方法
については異なる場合についても本発明を適応すること
が可能である。

【００８５】

【発明の効果】以上の発明により、排気浄化装置に有す
る触媒を活性化させ、昇温する還元剤である未燃焼燃料
を副次的噴射により添加する際に発生する内燃機関の仕
事量の変化を減少することが可能となる。つまり、図６
に示すように、アクセルペダル踏量を増やして内燃機関
に要求する仕事量を増加した場合に、諸条件から副次的
噴射を行わざるを得ない状況、すなわち供給燃料が減る
状況においても場合も前記の発明を行うことにより、図
６の破線のように段差を付けることなく仕事量を増加す
ることが可能となる。

【００８６】また、副次的噴射時の遅角量を大きくした
場合に、遅角量の増大に伴い未燃焼燃料が増大して内燃
機関の仕事に転化する燃料量が減り、これに伴い減少す
る内燃機関の仕事量を、前記の発明を行うことにより図
７の破線のように仕事量が減少することなく、遅角量を
増加することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明実施の形態に係るディーゼルエンジンシス
テムを示す概略構成図。

【図２】同実施の形態に係る、ＥＣＵ周りの構成概念
図。

【図３】同実施の形態に係る、触媒ケーシングの断面概
念図。

【図４】同実施の形態に係る、クランク角と仕事量、及
び燃料噴射状況との関係を示すグラフ。

【図５】同実施の形態に係る、副次的噴射制御を示すフ
ローチャート。

【図６】同実施の形態に係る、アクセルペダル踏量と仕
事の関係を示すグラフ。

【図７】同実施の形態に係る、遅角量と仕事の関係を示
すグラフ。

【符号の説明】

１エンジン（内燃機関）１０燃料供給系１１サプライポンプ１２コモンレール（蓄圧室）１３燃料噴射弁２０燃焼室２１燃焼室内面３０吸気系３１インタークーラ３２スロットル弁４０排気系４０ａ排気集合管４０ｂ、ｃ排気通路４２触媒ケーシング４２ａパティキュレートフィルタ４２ｂ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）４２ｃ栓詰め４３噴射燃料溜まり５０ターボチャージャ５１シャフト５２排気側タービンホイール５３吸気側タービンホイール６０ＥＧＲ通路６１ＥＧＲ弁６２ＥＧＲクーラ７０レール圧センサ７１燃焼センサ７２エアフローメータ７３空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７４排気温センサ７５ＮＯｘセンサ７６アクセル開度センサ７７クランク角センサ７８触媒流入排気温センサ８０電子制御装置（ＥＣＵ）８１中央演算処理装置（ＣＰＵ）８２読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８３ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８４バックアップＲＡＭ８５タイマカウンタ８６外部入力回路８７外部出力回路８８双方向バスＰ１機関燃料通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者曲田尚史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大木久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者石山忍愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者根上秋彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AB02 AB06 AB09 AB13 BA00 BA14 CB02 DB06 DB07 DB08 DB10 DB15 DC01 EA00 EA05 EA07 EA17 EA33 EA34 GA06 GB02Y GB03Y GB04Y GB05W GB06W HA36 HA37 HB05 HB06 3G301 HA02 HA11 HA13 JA25 MA11 MA18 MA23 MA27 NE12 PA01 PA17 PD01 PD04 PD11 PE03 PF03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼室内における燃料の主噴射
の後に副次的噴射を行うことにより未燃焼燃料を排気通
路に供給するとともに、この未燃焼燃料によって窒素酸
化物を還元する触媒を、排気通路内に配置した排気浄化
装置を有する内燃機関において、副次的噴射が、主噴射燃料による燃焼工程終了時前後に
跨って噴射された場合に、燃焼工程終了前に噴射された
副次的噴射燃料量を、内燃機関の仕事に転化した燃料量
として算出する仕事転化燃料量算出手段と、この仕事転化燃料量算出手段によって算出された仕事転
化副噴射燃料量及び主噴射燃料量の和を、内燃機関の仕
事に転化するために供給された燃料量として算出する供
給燃料量算出手段と、アクセルペダル踏量より要求される仕事量に要する燃料
量である要求燃料量が、主噴射燃料量と仕事転化副噴射
燃料量の和である供給燃料量に等しくなるように前記主
噴射燃料量を制御する主噴射燃料量制御手段と、を備え
ることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置及び方
法。
【請求項２】燃料の主噴射の後に行う副次的噴射によっ
て発生する未燃焼燃料により、窒素酸化物の還元を行う
排気浄化装置を備えた内燃機関において、副次的噴射燃料量の内、内燃機関の仕事として転化され
た副次的噴射燃料量を算出し、その内燃機関の仕事とし
て転化された副次的噴射燃料量と主噴射燃料量との和を
内燃機関に供給されて仕事に転化した供給燃料量とし、
かつ主噴射燃料量と内燃機関の仕事して転化された副次
的燃料量との和である供給燃料量が、アクセルペダル踏
量より要求される仕事量に必要な要求燃料量と等しくな
るように主噴射燃料量を制御することを特徴とする副次
的燃料噴射時の主噴射燃料量制御方法。